Rainer Hagl Elektrische Antriebstechnik
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Rainer Hagl Elektrische Antriebstechnik Mit 22 Übungen, 205 Bildern und 86 Tabellen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
Prof. Dr.-Ing. Rainer Hagl Hochschule Rosenheim Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen oder Teilen davon entsteht. Ebenso übernehmen Autoren und Verlag keine Gewähr dafür, dass beschriebene Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt deshalb auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN: 978-3-446-43350-2 E-Book-ISBN: 978-3-446-43378-6 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. 2013 Carl Hanser Verlag München Internet: http://www.hanser-fachbuch.de Lektorat: Mirja Werner, M.A. Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Coverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany
Vorwort Dieses Fachbuch stellt eine Einführung in ein umfangreiches Spezialgebiet dar. Produktionsmaschinen und viele Konsumgüter können ihre Aufgaben nur mittels elektrischer Antriebe erfüllen. Daher sind zumindest Grundkenntnisse in diesem Gebiet unumgänglich, um Maschinen, aber auch eine Vielzahl an Produkten des täglichen Lebens, zu dimensionieren bzw. zu optimieren. Das Fachbuch ist insbesondere für die Ausbildung von Studierenden der Ingenieurwissenschaften in den Studienschwerpunkten Automatisierungstechnik, Elektrotechnik, Gebäudetechnik, Produktionstechnik, Maschinenbau, Mechatronik konzipiert. Es eignet sich ebenso für technisch Interessierte, die sich in das Gebiet der elektrischen Antriebstechnik einarbeiten wollen. Zunächst werden in der Einführung die wichtigsten Anforderungen an elektrische Antriebe und Hauptunterscheidungsmerkmale vorgestellt. Die Aufgaben der einzelnen Komponenten werden beschrieben, wichtige Grundbeziehungen abgeleitet und gängige Begriffe erläutert. Die folgenden Kapitel beschäftigen sich mit dem Aufbau und der Wirkungsweise einzelner Komponenten eines elektrischen Antriebes. Hauptschwerpunkt ist das Kennenlernen von in Produktionsmaschinen gängigen Motoren und deren Steuerung. Für die einzelnen Motoren werden die Grundlagen erarbeitet, um einen für eine vorgegebene Antriebsaufgabe passenden Motor auswählen zu können. Übergreifende Themen werden in separaten Kapiteln zusammengefasst. Für das Teilgebiet Servoantriebstechnik werden grundlegende Zusammenhänge dargestellt. Neben der mathematischen Herleitung wird jeweils auch versucht, die Wirkprinzipien und Zusammenhänge beschreibend darzustellen. Das Buchprojekt wurde von vielen Unternehmen, die Produkte für den Bereich der elektrischen Antriebtechnik anbieten, vor allem durch Bildmaterial, unterstützt. Dadurch war es möglich, neben theoretischen Zusammenhängen exemplarisch auch gängige Industriekomponenten vorzustellen. Für diese Unterstützung sei sehr herzlich gedankt. Den Kapiteln zugeordnete Übungen ermöglichen eine Überprüfung des Lernfortschrittes. Notwendige Voraussetzung, um dem Lehrinhalt folgen zu können, sind grundlegende Kenntnisse der Elektrotechnik und der technischen Mechanik. Im Buch haben sich sicherlich Fehler eingeschlichen. Vielleicht ist das eine oder andere auch nicht ganz verständlich. Über Rückmeldungen zu Fehlern oder Verbesserungsvorschläge würde ich mich freuen, da diese zu einer kontinuierlichen Verbesserung führen. Sie können mir
6 Vorwort diesbezüglich gerne eine E-Mail an rainer.hagl@fh-rosenheim.de senden. Für Ihre Unterstützung möchte ich mich bereits im Voraus bei Ihnen bedanken. Formelsymbole Im gesamten Manuskript wurde versucht, durchgängige und eindeutige Formelsymbole zu verwenden. Bei der ersten Verwendung eines Formelsymbols werden dessen Bezeichnung auf Deutsch und Englisch, sowie die dazugehörige SI-Einheit und gegebenenfalls wichtige daraus abgeleitete Einheiten, angeben. M Mo Motordrehmoment Motor torque Nm M L Lastdrehmoment Load torque Nm M Ac Beschleunigungsdrehmoment Acceleration torque Nm Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit werden an manchen Stellen diese Angaben wiederholt. Prof. Dr.-Ing. Rainer Hagl Januar 2013
Inhalt 1 Einführung... 11 1.1 Einsatzgebiete... 12 1.2 Aufgaben und Betriebszustände elektrischer Maschinen... 14 1.3 Bewegungsarten und Bewegungsgleichungen... 16 1.4 Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl... 19 1.5 Antriebsprinzipien... 24 2 Mechanische Übertragungselemente... 27 2.1 Einführung... 27 2.2 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad... 30 2.3 Drehzahlanpassung und Antriebsoptimierung... 30 2.4 Wandlung einer Drehbewegungen in eine Linearbewegung... 33 2.4.1 Gewindetrieb... 33 2.4.2 Zahnriemen... 34 2.4.3 Zahnstange-Ritzel... 34 2.5 Wirkungsgrade... 35 2.6 Umrechnung auf einen Bezugspunkt... 35 2.6.1 Elektromechanische Linearachse mit starrer Kopplung... 36 2.6.2 Elektromechanische Drehachse mit starrer Kopplung... 37 2.7 Beschleunigungsvermögen und Gleichlaufverhalten... 38 2.8 Dynamisches Verhalten... 41 2.8.1 Grundlagen... 41 2.8.2 Linearachse mit elastischer Kopplung... 43 3 Grundlagen elektrischer Maschinen... 47 3.1 Einführung... 47 3.2 Analogien... 47 3.3 Physikalische Effekte bei elektromagnetischen Maschinen... 48 3.3.1 Lorentzkraft... 48 3.3.2 Induktion und Lenz sche Regel... 49 3.3.3 Selbstinduktion... 51
8 Inhalt 3.4 Magnetfelderzeugung und magnetische Werkstoffe... 52 3.5 Leistungsverluste... 54 3.6 Belastungsprofile, Einschaltdauer und Betriebsarten... 56 3.7 Wärmeklassen... 61 3.8 Schutzarten... 62 3.9 Energieeffizienz... 63 3.10 Bauformen und Befestigung... 64 3.11 Bemessungsgrößen... 67 4 Gleichstrommotoren... 69 4.1 Einführung... 69 4.2 Drehmomenterzeugung und Drehmomentgleichung... 69 4.3 Spannungsinduktion und Spannungsgleichung... 73 4.4 Komponenten... 75 4.5 Klemmenbezeichnung... 77 4.6 Fremderregter Gleichstrommotor... 77 4.6.1 Elektrisches Ersatzschaltbild und beschreibende Gleichungen... 78 4.6.2 Statisches Verhalten... 79 4.6.3 Feldschwächung... 81 4.7 Selbsterregter Gleichstrommotor... 83 4.8 Permanenterregter Gleichstrommotor... 85 4.9 Bürstenloser Gleichstrommotor und EC-Motor... 86 5 Schrittmotoren... 91 5.1 Einführung... 91 5.2 Aufbau und Eigenschaften... 91 5.3 Wechselpolschrittmotor... 93 5.4 Vollschrittbetrieb... 94 5.5 Schrittwinkel und Schrittzahl... 95 5.6 Halbschrittbetrieb... 96 5.7 Mikroschrittbetrieb... 96 5.8 Haltedrehmoment und Selbsthaltedrehmoment... 97 5.9 Dynamisches Verhalten... 98 5.10 Reluktanzschrittmotor... 99 5.11 Hybridschrittmotor... 100 5.12 Betriebsdiagramm... 102 5.13 Schrittmotoren im geregelten Betrieb... 103
Inhalt 9 6 Grundlagen Drehstromantriebe...104 6.1 Einführung... 104 6.2 Drehspannung und Drehstrom... 104 6.3 Anschluss von Drehstrommotoren... 107 6.4 Sternschaltung... 109 6.5 Dreieckschaltung... 111 6.6 Vergleich Stern- und Dreieckschaltung... 111 6.7 Magnetisches Drehfeld... 113 6.8 Umrichter... 118 6.9 Energiemanagement bei umrichterbetriebenen Antrieben... 120 7 Synchronmotoren...123 7.1 Einführung... 123 7.2 Aufbau und Wirkungsweise... 123 7.3 Elektrisches Ersatzschaltbild... 126 7.4 Spannungsinduktion und Drehmomenterzeugung... 128 7.5 Drehmoment-Drehzahl-Diagramm... 131 7.6 Leistungsschild... 134 7.7 Komponenten eines Servoantriebes... 135 7.8 2-phasige Motoren... 136 8 Asynchronmotoren...137 8.1 Einführung... 137 8.2 Aufbau und Wirkungsweise... 137 8.3 Spannungsinduktion und Drehmomenterzeugung... 140 8.4 Motorkennlinie und Motorkenngrößen... 141 8.5 Normmotoren... 146 8.6 Anlaufstrombegrenzung... 146 8.7 Drehzahlvariable Antriebe... 148 8.8 Frequenzumrichter... 150 8.9 Zentrale und dezentrale Antriebstechnik... 152 8.10 Feldorientierte Regelung... 154 9 Positionsmessgeräte...155 9.1 Einführung... 155 9.2 Drehzahl- und Geschwindigkeitsberechnung... 157 9.3 Messsignale... 158 9.4 Unterscheidungsmerkmale... 159
10 Inhalt 9.5 Einheiten bei der Winkelmessung... 165 9.6 Photoelektrische Messgeräte... 165 9.7 Magnetische Messgeräte... 167 9.8 Induktive Messgeräte... 168 9.9 Signalauswertung und Übertragung der Positionsinformation... 170 9.10 Messgenauigkeit... 172 10 Servoantriebe...176 10.1 Einführung... 176 10.2 Anforderungen und Kenngrößen... 177 10.3 Kaskadierte Regelung... 181 10.4 Bewegungsprofile... 184 10.5 Modellierung mechanischer Übertragungselemente... 186 10.6 Mechanisch steife Antriebe... 188 10.7 Mechanisch elastische Antriebe... 196 10.8 Feldorientierte Regelung... 203 10.9 Lineare und rotatorische Direktantriebe... 206 A Anhang...214 A.1 Weiterführende Informationen... 214 A.1.1 Einführung... 214 A.1.2 Grundlagen elektrische Maschinen... 215 A.1.3 Gleichstrommotoren... 217 A.1.4 Grundlagen Drehstromantriebe... 218 A.1.5 Synchronmotoren... 221 A.2 Übungen... 222 A.3 Lösungen der Übungen... 238 A.4 Formelzeichen und Einheiten... 247 A.5 Literatur... 256
1 Einführung Die Aufgabe von Antrieben besteht darin, Bewegungen zu erzeugen. Der Motor ist die wichtigste Komponente eines Antriebes. Er liefert die für eine lineare Bewegung erforderliche Kraft oder das für eine drehende Bewegung erforderliche Drehmoment. Hierzu wird dem Motor Energie zugeführt und in diesem in mechanische Energie umgewandelt. Bei der Energiewandlung werden unterschiedliche physikalische Effekte genutzt. Antriebe werden nach Wirkprinzipien der eingesetzten Motoren (Bild 1.1) unterteilt in: Elektrische Antriebe Fluidische Antriebe Thermodynamische Antriebe Motoren in elektrischen Antrieben nutzen meist elektromagnetische Effekte aus. Für spezielle Antriebsaufgaben gibt es Motoren, die auf anderen Effekten basieren. Fluidische Antriebe arbeiten mit komprimierbaren Flüssigkeiten (z. B. Hydrauliköl) oder Gasen. Werden komprimierbare Flüssigkeiten verwendet, spricht man von hydraulischen Antrieben. Pneumatische Antriebe verwenden üblicherweise Luft. Der bekannteste Vertreter aus dem Bereich der thermodynamischen Antriebe ist der Verbrennungsmotor. Je nach zu lösender Antriebsaufgabe ist das eine oder andere Wirkprinzip besser geeignet. Antriebe Elektrisch Fluidisch Thermodynamisch Elektromagnetisch Hydraulisch Verbrennung Piezoelektrisch Pneumatisch Sterling Sterling Elektrostatisch Elektrostriktiv Magnetostriktiv Bild 1.1 Klassifizierung von Antrieben Manchmal steht die für den Motor erforderliche Energie nicht direkt zur Verfügung. Typische Beispiele sind Geräte oder Maschinen im mobilen Bereich. So wird bei einem Bagger die für die Antriebe notwendige Energie mit einem Verbrennungsmotor erzeugt. Zunächst findet eine Wandlung der im Kraftstoff gespeicherten Energie in mechanische Energie statt, aus der dann die Energie für die fluidischen Antriebe erzeugt wird. Es gibt auch Mischformen, welche zwei Wirkprinzipien zur Erzeugung der mechanischen Bewegung nutzen. Hierzu zählen Hybridan-
12 1 Einführung triebe in Kraftfahrzeugen, bei denen je nach Betriebszustand ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor unabhängig voneinander oder gemeinsam die Bewegung erzeugen. Häufig müssen Kräfte bzw. Drehmomente in einem Antriebsstrang übertragen und/oder umgeformt werden, wozu mechanische Antriebselemente erforderlich sind. Motor und mechanische Antriebselemente, die im Antriebsstrang dem Motor nachgeschaltet sind, beeinflussen sich gegenseitig. Zur gesamtheitlichen Optimierung dieses Systems sind daher Kenntnisse sowohl aus dem Bereich der Mechanik als auch der Elektrotechnik erforderlich. Die meisten Antriebsaufgaben werden heute mit elektrischen Antrieben gelöst. Hauptgründe hierfür sind: Elektrische Energie steht beinahe überall zur Verfügung Elektrische Antriebe erzeugen im Vergleich zu vielen anderen Antriebsprinzipien praktisch keine Verschmutzung Elektrische Antriebe sind einfach zu regeln Elektrische Antriebe sind energieeffizient Es stehen wartungsfreie Lösungen zur Verfügung Elektrische Antriebe haben vergleichsweise niedrige Geräuschemissionen 1.1 Einsatzgebiete Elektrische Antriebe werden in einer Vielzahl von Produkten des täglichen Lebens (Konsumgüter), aber auch in Maschinen und Anlagen (Investitionsgüter), eingebaut. Exemplarisch zeigen die Bilder 1.2 bis 1.6 einige Beispiele aus den Bereichen Kraftfahrzeugbau, Computer und Produktionsmaschinen. Bild 1.2 Stellantriebe in Kraftfahrzeugen, links: Lenksäulenverstellung, rechts: Fensterheberantrieb ( Robert Bosch GmbH, Homepage Kraftfahrzeugtechnik, 2012) In Produktionsmaschinen wie Werkzeugmaschinen, Maschinen zur Herstellung von Halbleitern, Maschinen zur Kunststoffverarbeitung, Holzbearbeitungsmaschinen, oder Druckmaschinen haben elektrische Antriebe maßgeblichen Einfluss auf die statischen und dynamischen Maschineneigenschaften. Sie beeinflussen insbesondere: die Präzision des Produkts, wie z. B. die Maßhaltigkeit von Werkstücken oder Druckqualität von Prospekten und Zeitschriften die Produktivität der Maschine in Erzeugnissen pro Zeiteinheit
1.1 Einsatzgebiete 13 Bild 1.3 Fahrantrieb in Kraftfahrzeugen; ➀ Litium-Ionen-Batterie, ➁ E-Maschine, ➂ Leistungselektronik ( BMW AG, Press Club, 2012) Bild 1.4 Elektrische Antriebe in Festplatten ( Christian Jansky, Wikipedia, 2012) Bild 1.5 Elektrische Antriebe in Werkzeugmaschinen ( Hermle AG, 5-Achsen Bearbeitungszentrum, 2012)